KR101087376B1 - 슬라이드 부재용 철기 소결 합금 - Google Patents

Abstract

전체 조성이, 질량비로, C：0.6∼1.2%, Cu：3.5∼9.0%, Mn：0.6∼2.2%, S：0.4∼1.3%, 잔부：Fe 및 불가피 불순물로 이루어지고, 그 합금 조직이, 마텐자이트 기지 내에, 유리(遊離)된 Cu상 또는 유리된 Cu－Fe 합금상 중 적어도 하나가 분산해 있음과 더불어, MnS상이 1.0∼3.5질량% 분산되어 있다.

Description

슬라이드 부재용 철기 소결 합금{IRON BASE SINTERED ALLOY FOR SLIDE MEMBER}

본 발명은, 내주면에 높은 면압이 작용하는 베어링에 이용하기에 적합한 슬라이드 부재용 철기(iron-base) 소결 합금에 관한 것으로, 특히, 소결 시의 치수 변화가 적고, 또한 뛰어난 내소부(耐燒付)성을 나타내는 슬라이드 부재용 철기 소결 합금에 관한 것이다.

예를 들어, 차량, 공작 기계, 산업 기계 등의 구동 부위나 슬라이드 부위와 같이 슬라이드면에 높은 면압이 작용하는 슬라이드 부재로는, 탄소강을 절삭 가공하여 담금질, 템퍼링한 것이나, 소결 합금제인 것이 사용되고 있다. 특히, 소결 합금은 함침된 윤활유에 의한 자기 윤활성을 부여할 수 있으므로, 내소부성과 내마모성이 양호하여 폭넓게 이용되고 있다. 예를 들어 일본국 특개평 11－117940호 공보에는, Cu：10∼30%, 잔부：Fe로 이루어지는 철계 소결 합금층을 슬라이드면에 구비한 베어링이 개시되어 있다.

그러나, 최근, 구리의 가격이 높아지고 있으므로, 일본국 특개평 11－117940호 공보와 같이 구리를 10∼30% 사용하는 기술에서는 제조 비용이 비교적 높아 실 용적이지 않다. 또한, 융점이 낮은 구리가 소결 시에 액상이 되므로, 소결 후의 치수 변화량이 크다는 결점도 있다. 이 때문에, 요구 정밀도를 만족하기 위해서 기계 가공이 필요하고, 제조 비용이 더욱 고가로 된다.

한편, 소결 합금 중에 구리를 함유함으로써, 기지 내에 연질의 Cu상 또는 Cu 합금상이 분산하고, 이에 따라, 상대 부재로의 공격성이 완화됨과 더불어 적당히 변형됨에 의한 상대 부재와의 융합성이 향상된다. 이 때문에, 구리의 함유량을 적게하면, 내마모성이 저하함과 더불어 상대 부재로의 공격성이 높아짐과 함께, 윤활유가 불충분하면 울음 소리가 발생하는 등의 문제가 생긴다.

따라서, 본 발명은, 구리를 함유함에 의한 뛰어난 성능을 유지하면서, 구리의 사용량을 저감하여 제조 비용을 저감할 수 있는 슬라이드 부재용 철기 소결 합금을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 슬라이드 부재용 철기 소결 합금은, 전체 조성이, 질량비로, C：0.6∼1.2%, Cu : 3.5∼9.0%, Mn：0.6∼2.2%, S：0.4∼1.3%, 잔부：Fe 및 불가피 불순물로 이루어지고, 그 합금 조직이, 마텐자이트 기지 내에, 유리된 Cu상 또는 유리된 Cu－Fe 합금상 중 적어도 하나가 분산함과 더불어, MnS상이 1.0∼3.5질량% 분산하고 있는 것을 특징으로 한다.

기지 내에 분산된 MnS는 고체 윤활제로서 작용하고, 윤활유가 불충분한 조건하에서도 부재끼리 금속 접촉을 방지하여 울움 소리의 발생을 방지한다. 또한, MnS가 상대 부재로의 공격성을 완화함과 함께, 상대 부재와의 뛰어난 융합성을 얻을 수 있다. 이하, 본 발명의 한정의 근거를 본 발명의 작용과 함께 설명한다. 또한, 이하의 설명에 있어서 「%」는 질량%의 의미이다.

〈기지(基地)〉

고면압 하에서 사용되어 내마모성을 발휘할 수 있도록, 기지는 높은 경도와 강도를 가지는 마텐자이트로 한다.

＜C：0.6∼1.2%＞

C의 함유량이 0.6%를 밑돌면, 경도 및 강도가 불충분하게 되어, 마모량이 증대한다. 한편, C의 함유량이 1.2%를 넘으면, 기지가 약해져 마모량이 증대한다. 또한, C는 소결이나 담금질 등의 가열에 의해 탈탄(脫炭)되어, 원료 분말에 있어서의 함유량에 대해서 감소하거나 혹은 침탄(浸炭)에 의해 증가하기도 한다. 본 발명에 있어서의 C의 함유량은, 최종적인 열처리가 종료한 후의 함유량을 말한다.

＜Cu：3.5∼9.0%＞

Cu의 함유량이 3.5%를 밑돌면, 기지 내에 분산하는 유리된 Cu상이나 Cu－Fe상의 양이 불충분하게 되어, 상대 부재와의 응착이 발생하기 쉬워진다. 한편, Cu의 함유량이 9.0%를 넘으면, 소결 시에 액상이 생겨 소결 후의 치수 변화량이 증대한다.

〈고체 윤활제〉

기름에 의한 윤활이 불충분한 조건 하에서의 마찰 계수의 저감, 상대 부재에의 공격성의 저감, 상대 부재와의 친밀성의 향상이 가능하도록, 기지 내에 고체 윤활제를 분산시킨다. 대표적인 고체 윤활제로는, 흑연, MoS₂, FeS, CuS, WS₂, MnS 등이 있는데, 흑연은 소결 시에 철 중에 확산하기 때문에, 유리시켜 기지 내에 분산시키는 것이 어렵고, 또한 흑연이 유리될 정도로 첨가량을 많게 하면 기지 내에 시멘타이트가 석출되어 약해짐과 더불어 상대 공격성이 증대하여, 바람직하지 않다. MoS₂, FeS, CuS, WS₂,는 소결 시에 분해되기 쉬우므로, 소결 후의 기지 내의 분산 상태가 흩어지기 쉽고, 분산량을 확보하기 위해서 첨가량을 많게 하면 재료 비용의 상승과 강도의 저하를 초래하게 되어, 바람직하지 않다. 그 점에서, MnS는 매우 안정되고, 뛰어난 윤활 특성과 강도 특성을 겸비하는 슬라이드 부재용 철계 소결 합금을 얻기 위해서 기지 내에 분산시키는 고체 윤활제로서 바람직하다.

<MnS：1.0∼3.5%>

MnS의 함유량이 1.0%를 밑돌면, 고체 윤활제로서의 작용이 불충분해진다. 한편, MnS의 함유량이 3.5%를 넘으면, 기지의 강도가 저하하여 면압이 높은 조건 하에서는 마모량이 증대한다.

＜MnS상의 크기：2∼100㎛＞

MnS상의 크기가 2㎛를 밑돌면, 고체 윤활제로서의 작용이 불충분해진다. 한편, MnS상의 크기가 100㎛를 넘으면, 기지의 강도가 저하한다.

MnS상은, 재료 분말 중에 MnS 분말을 첨가함으로써 생성하는 것이 바람직하다. MnS는, MoS₂나 흑연에 비해 안정되므로 소결 시에 분해하기 어렵다. 따라서, 적은 첨가량으로 충분한 효과를 얻을 수 있음과 더불어, 기지로의 분산량을 제어하기 쉬워 슬라이드 부재의 성능을 안정시킬 수가 있다. 또한, MnS 분말은, 입경이 15㎛ 이하인 입자가 90질량% 이상 포함되는 것이 바람직하다. 이와 같이 미분의 MnS 분말로 첨가함으로써, 기지로의 분산성이 양호해진다. 또한, MnS 입자가 서로 응집한 형태로 기지 내에 분산하는 경우가 있는데, 슬라이드 부재의 성능상 문제는 없다.

본 발명에 의하면, MnS가 Cu에 의한 작용을 보충하기 때문에, 구리를 함유함에 의한 뛰어난 성능을 유지하면서, 구리의 사용량을 저감할 수 있다. 이에 따라, 소결 시의 치수 변화량을 저감할 수 있으므로, 재료비에 더하여 가공 비용을 저감할 수 있는 등의 효과가 얻어진다.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 더욱 상세하게 설명한다.

베어링의 소결 합금을 제작하기 위해서 하기의 원료 분말을 준비했다.

1. 애토마이즈(atomize) 철분(고베제강소 제 아트멜 300M)

2. 전해 구리분말(후쿠다 금속박분 공업 제 CE15)

3. 천연 흑연분말(일본 흑연 제 JCPB)

4. 황화망간분말(헤가네스사 제 MnS－E)

5. 스테아르산아연(ADEKA 케미컬 서플라이 제 에프코켐 ZNS730)

이들 분말을 전체 조성이 표 1에 나타내는 비율이 되도록 배합했다. 또한, 스테아르산아연은, 성형 시의 윤활을 위해서 첨가하는 것이며, 이를 제외하는 혼합 분말을 100%로 했을 때에, 모든 혼합 분말에 대해 0.75% 첨가했다.

상기와 같이 배합한 분말을 V형 혼합기에서 30분간 혼합하고, 혼합 분말에 대해서 밀도 6.2g/㎠, 밀도비 80%의 베어링 원통 형상으로 압축 성형하고, 성형체를 1130℃에서 20분간 소결했다. 이어서, 소결체를 850℃에서 침탄 담금질하고, 180℃에서 탬퍼링했다. 그리고, 절삭 가공에 의해 내경：30㎜, 외경：36㎜, 길이：25㎜로 마무리한 후, 소결체의 기공(氣孔)에 윤활유(ISO VG460 상당의 기어유(gear oil))를 함침시켜, 시료 No.1∼16을 얻었다. 또한, 비교를 위해서 MnS 분말을 대신해 MoS₂를 표 1에 표시하는 비율로 배합하고, 그 외는 시료 No.1∼16과 동일한 조건으로 시료 No.17을 얻었다.

표 1에, 시료 No.1∼17의 소결 후의 치수 변화를 타원량으로 표시했다. 타원량은, 시료의 내경의 최대 측정값으로부터 최소 측정값을 뺀 값이다. 표 1에서는, 본 발명에서 규정하는 범위를 일탈하는 값과 불합격으로 인정되는 특성값에 밑줄이 그어져 있다.

표 1에 나타내는 바와같이, Cu의 함유량이 본 발명의 상한(9%)을 넘는 시료 No.16에서는, 타원량이 매우 크고, 소결 시의 치수 변화가 격심한 것을 알 수 있다. 또한, 시료 No.1∼17의 압환(壓環) 강도를 표 1에 표시한다. 표 1에 나타내는 바와같이, MnS의 함유량이 본 발명의 상한치(3.5%)를 넘는 시료 No.8, C의 함유량이 본발명의 하한치(0.6%)를 밑도는 시료 No.10에서는 강도가 낮기 때문에, C의 함유량이 본 발명의 상한치(1.2%)를 넘는 시료 No.14에서는 기지가 약해졌으므로, 압환 강도가 낮았다.

다음에, 시료 No.1∼17에 대해서 베어링 시험을 행했다. 베어링 시험은, 시료를 시험기의 하우징에 고정하고, 시료의 구멍에 S45C 담금질강의 축을 장착하여 축심과 직각 방향으로 균등하게 하중을 가하고, 면압 25MPa의 상태에서 100rpm으로 200시간 회전시켜 행했다. 표 1에 운전 초기의 마찰 계수와 200시간 운전 후의 마모량을 나타낸다.

표 1에 나타내는 바와같이, Cu의 함유량이 본 발명의 하한치(3.5%)를 밑도는 시료 No. 2, 3에서는, 마찰 계수가 높고, 그 결과, 상대재의 마모량이 커졌다. 특히, Cu의 함유량이 본 발명의 하한치를 밑도는 시료 No.1에서는, 상대재와의 소부(燒付)가 생겨 베어링 시험을 중단했다. 또한, MnS의 함유량이 본 발명의 하한치(1.0%)를 밑도는 시료 No.4에서는, 마찰 계수가 높고, 그 결과, 상대재의 마모량이 커졌다. 한편, MnS의 함유량이 본 발명의 상한치(3.5%)를 넘는 시료 No.8에서는, 기지의 강도가 저하하여, 시료의 마모량이 증대했다.

C의 함유량이 본 발명의 하한치(0.6%)를 밑도는 시료 No.10에서는, 경도 및 강도가 낮기 때문에, 시료의 마모량이 증대했다. 한편, C의 함유량이 본 발명의 상한치(1.2%)를 넘는 시료 No.14에서는, 기지가 약해져 시료의 마모량이 증대했다. 또한, MnS 분말을 대신하여 MoS₂ 분말을 첨가한 시료 No.17에서는 소결에 의해 MoS₂가 분해되어 Mo가 기지에 고용하고, 그 결과, 윤활 부족때문에 초기 마찰 계수가 높고, 또한, 기지가 경화(硬化)되었으므로 상대재의 마모량이 증대했다.

이상의 비교예에 대해서 본 발명의 실시예에서는, 마찰 계수, 강도 및 치수 변화의 어느 것에서나 뛰어난 값을 나타내고, 또한, 베어링 시험에 있어서도 시료 및 상대재 모두 마모량이 적었다.

본 발명의 슬라이드 부재용 철기 소결 합금은, 차량, 공작 기계, 산업 기계 등의 구동 부위나 슬라이드 부위와 같이 슬라이드면에 높은 면압이 작용하는 슬라이드 부재에 이용하기에 적합하다. 구체적으로는, 예를 들면 프레스 기계용 베어링, 차량 등의 제동 장치 링크용 베어링, 힌지용 베어링, 산업용 로봇 등의 관절용 베어링, 캐스터(caster)용 베어링 등을 들 수 있다.

Claims (3)

1. 전체 조성이, 질량비로, C：0.6∼1.2%, Cu：3.5∼9.0%, Mn：0.6∼2.2%, S：0.4∼1.3%, 잔부：Fe 및 불가피 불순물로 이루어지고, 그 합금 조직이, 마텐자이트 기지 중에, 유리(遊離)된 Cu상 또는 유리된 Cu－Fe 합금상의 적어도 한쪽이 분산되어 있음과 더불어, 고체 윤활제로서 작용하는 MnS상이 1.0∼3.5질량% 분산되어 있고, 상기 MnS상은, 재료 분말 중에 MnS 분말을 첨가함으로써 생성되는 것을 특징으로 하는 슬라이드 부재용 철기(鐵基 : iron-base) 소결 합금.
2. 청구항 1에 있어서,

   분산되어 있는 상기 MnS상의 크기는 2∼100㎛인 것을 특징으로 하는 슬라이드 부재용 철기 소결 합금.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   상기 MnS상을 생성하는 상기 MnS 분말은, 입경이 15㎛ 이하인 입자가 90질량% 이상 포함되는 것을 특징으로 하는 슬라이드 부재용 철기 소결 합금.